Artikelinformatie
Categorie:	Vluchttheorie
Inhoudsbron:	SKYbrary
Content controle:	SKYbrary

Description

Induced Drag is een onvermijdelijk gevolg van lift en wordt veroorzaakt door de passage van een aerofoil (bijv.b.v. vleugel of staartvlak) door de lucht. Lucht die over de bovenkant van een vleugel stroomt heeft de neiging naar binnen te stromen omdat de verminderde druk over het bovenoppervlak minder is dan de druk buiten de vleugeltip. Onder de vleugel stroomt de lucht naar buiten omdat de druk onder de vleugel groter is dan die buiten de vleugeltip. Het directe gevolg hiervan, voor zover het de vleugeltips betreft, is dat er een voortdurende opwaartse luchtstroom is rond de vleugeltip, een verschijnsel dat “tip-effect” of “eindeffect” wordt genoemd. Eén manier om te begrijpen waarom een hoge hoogte-breedteverhouding voor een vleugel beter is dan een lage, is dat met een hoge hoogte-breedteverhouding het aandeel van de lucht dat op deze manier beweegt wordt verminderd en daardoor meer lucht lift genereert.

Voor de vleugel in het algemeen geldt dat de luchtstromen van boven en onder de vleugel in een hoek ten opzichte van elkaar stromen als zij elkaar ontmoeten langs de achterrand van de vleugel. Zij combineren zich tot wervelingen die, van achteren gezien, met de wijzers van de klok mee draaien vanaf de linkervleugel en tegen de wijzers van de klok in vanaf de rechtervleugel. De tendens is dat deze wervels naar buiten bewegen in de richting van de vleugeltip en zich daarbij samenvoegen. Tegen de tijd dat de vleugeltip bereikt is, heeft zich één grote wervel gevormd en wordt afgeworpen.

De meeste van deze wervels zijn natuurlijk volkomen onzichtbaar, maar in zeer vochtige lucht kan de centrale kern van een wervel zichtbaar worden omdat de luchtdruk in het centrum ervan voldoende is afgenomen – en dus afgekoeld – om condensatie te laten optreden. Een hogere vleugelbelasting in een bocht zal ook de sterkte – en de mate van drukverlaging – verhogen, zodat zichtbare wervelkernen nog waarschijnlijker zijn tijdens bochten. Van dichtbij zijn deze wervelingen soms ook hoorbaar!

De meeste lucht die van de bovenkant van een vleugel stroomt – de ‘neerwaartse uitslag’ – stroomt min of meer horizontaal door naar de empennage, omdat deze in evenwicht wordt gehouden door een overeenkomstige opwaartse uitslag voor de vleugelvoorrand. Daarentegen is de opwaartse luchtbeweging die leidt tot wervel-“consolidatie” bij de tip juist buiten de tip terwijl de corresponderende neerwaartse beweging juist aan het uiteinde van de spanwijdte is zodat de netto richting van de luchtstroming langs de vleugel neerwaarts is. De lift die door de vleugel wordt opgewekt – die per definitie loodrecht op de luchtstroom staat – helt daardoor iets naar achteren en “draagt” zo bij aan de weerstand – geïnduceerde weerstand.

Hoewel er altijd op zijn minst enige geïnduceerde weerstand moet zijn omdat vleugels een eindige dikte hebben, wordt bij het ontwerp waar mogelijk getracht deze stroming te verminderen. Een vereist vleugeloppervlak kan worden bereikt met behulp van verschillende spanwijdte-koorde verhoudingen (aspectverhoudingen). Hoe groter de vleugelaspectverhouding, hoe minder luchtverstoring er aan de tip ontstaat. Voor de meeste vliegtuigen zijn er echter zowel praktische grenzen aan de maximale spanwijdte voor grondmanoeuvres als structurele problemen die inhouden dat uiteindelijk het gewicht dat nodig is om een lange dunne vleugel voldoende te verstevigen te groot wordt. Het feit dat vliegtuigen het grootste deel van hun brandstof in de vleugels vervoeren is ook een factor in het vleugelontwerp. Typische aspect ratio’s voor transportvliegtuigen liggen tussen 6:1 en 10:1.

Andere manieren om de geïnduceerde weerstand en de sterkte van de werveluiteinden in een vleugelontwerp te verminderen zijn ook gebaseerd op het verminderen van de luchtverplaatsing naar boven aan de vleugeltip door ernaar te streven relatief meer lift weg van de tips op te wekken. Het taps toelopen van de vleugel naar de tip toe draagt hiertoe bij, evenals de vleugelverdraaiing. De Boeing 767 is een voorbeeld van een verdraaide vleugel. De binnenste vleugel heeft een hogere invalshoek (Angle of Attack, AOA) dan de buitenste vleugel en genereert daardoor verhoudingsgewijs meer lift, terwijl de tip, bij een zeer kleine invalshoek, zeer weinig lift genereert. Winglets (sharklets) zijn ook populair geworden, zowel de gebruikelijke omhoog gedraaide versies als de oudere Airbus A320 serie tweezijdige ‘wingtip fence’ versies. Goed ontworpen winglets kunnen ongeveer 20% van de luchtstroom aan de tip voorkomen – en dus 20% van de geïnduceerde luchtweerstand.

Geïnduceerde weerstand en de bijbehorende vleugeltipwervelingen zijn een direct gevolg van het ontstaan van lift door de vleugel. Aangezien de liftcoëfficiënt groot is wanneer de invalshoek groot is, is de geïnduceerde weerstand omgekeerd evenredig met het kwadraat van de snelheid, terwijl alle andere weerstand recht evenredig is met het kwadraat van de snelheid. Het gevolg hiervan is dat de geïnduceerde weerstand relatief onbelangrijk is bij hoge snelheid tijdens de kruisvlucht en de daling, waar zij waarschijnlijk minder dan 10% van de totale weerstand uitmaakt. In de klim is zij van groter belang en maakt zij ten minste 20% van de totale luchtweerstand uit. Bij lage snelheden vlak na het opstijgen en in de aanvangsklim is zij van het grootste belang en kan zij tot 70% van de totale luchtweerstand uitmaken. Tenslotte, wanneer we kijken naar de potentiële kracht van vleugeltipwervelingen, moet al deze theorie over geïnduceerde weerstand worden afgezwakt door het effect van het vliegtuiggewicht. Geïnduceerde weerstand zal altijd toenemen met het gewicht van het vliegtuig.

SKYclip

De volgende SKYclip behandelt de kwestie van En-Route Wake Vortex Encounter.

• Wake Vortex Propagation and Decay
• Wing Tip Drag Reduction Devices